基于压电导波的网架结构节点损伤检测研究

• 作 者: 刘威伶
• 出 处: 沈阳建筑大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 损伤识别 压电陶瓷(PZT) 超声导波 网架结构 螺栓连接 结构健康监测

网架结构具有整体性好、空间刚度大、结构稳定、建设速度快等特点。近几十年来,网架结构作为大跨度建筑结构常用的一种结构形式已经被广泛地应用于工业与民用建筑中。空间网架结构轻巧,能覆盖各种形状的平面,又可设计成各种各样的体形,能够满足多种建筑结构形式的要求。由于受外部载荷、环境作用、灾害、人为等因素的影响,网架结构在长期服役期间可能会出现螺栓松动现象,降低结构的可靠性,可能导致结构整体的破坏。这些工程一旦发生事故,往往会造成重大的生命、财产损失,因此,开展对网架结构的早期损伤研究,在早期阶段发现结构损伤和性能退化,找出无损探伤识别的有效方法,对于及时采取补救措施、杜绝安全隐患具有较高的应用价值。利用压电陶瓷的压电效应并结合检测信号能量法,对网架结构螺栓松动现象进行检测,及时发现问题并采取适当的防范措施是十分重要的。本文将理论分析、试验验证和数值模拟相结合,并在此基础上,对无损伤网架结构以及具有损伤的网架结构进行了检测研究。本论文的目的是提出一种网架结构螺栓松动检测的评估方法。对现有的不同网架结构连接方式进行归类并选取典型的螺栓球连接方式,建立单球连接节点的试验模型,分别选取杆件连接角度为45°、90°和180°三种典型工况进行试验。然后,进行多球节点损伤试验,选取六个常见的多球节点连接方式进行试验。最后进行整体网架损伤试验。利用粘贴于网架杆件表面的压电陶瓷片列阵激发并接收检测超声波,应用压电超声导波能量法技术,将网架节点当成“黑箱”处理,克服螺栓球节点界面非均匀性、非线性在监测上的困难。试验结果表明,压电超声波在螺栓球节点内传播以及螺栓松动对超声波能量衰减的影响具有一定的规律性。通过建立导致螺栓松动的扭矩与监测信号能量之间的定量关系,提出并验证了一种基于超声波能量的螺栓球节点损伤评估方法以及相应的关键技术。最后,以能量法为依据,利用ABAQUS软件对单球连接节点进行了有限元数值模拟。通过把模拟结果与试验结果进行对比验证,得出二者基本吻合,以此验证了数值模拟和试验方法的可行性与准确性。